DE4004119C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Ma
terialfeuchte eines Meßgutes mit Hilfe von Mikrowellen, bei dem
durch einen Prozessor gesteuert in einem Mikrowellen-Generator
eine elektromagnetische Strahlung variabler Frequenz
erzeugt und einem als Resonator ausgebildeten Probenapplikator
zugeführt wird, bei dem das aus dem Applikator austretende
Mikrowellensignal einer Detektor-Diode zugeführt
wird, aus deren Signalen über einen Analog/Digital-Wandler
vom Rechner als primäre Meßgrößen b(0) und f(0) ermittelt
werden, wobei b(0) die Halbwertsbreite bei der Resonatorfrequenz
f(0) des mit einer Meßprobe in Wirkverbindung stehenden
Applikators ist und wobei eine Materialprobe mit dem
Resonator so in Verbindung gebracht wird, daß das elektrische
Feld des Resonators beim Übergang in das Material der Probe
allgemein parallel zur Oberfläche verläuft, und eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
In zahlreichen industriellen Verfahrensprozessen ist die
genaue Kenntnis des Feuchtegehaltes der dem Verfahrensprozeß
unterworfenen Materialien von großer Bedeutung. Nur wenn die
exakte Information über die Materialfeuchte der Schüttgüter,
Lebensmittel-Produkte, Pasten usw. sofort vorliegt, kann
regelnd auf die Parameter des Produktionsprozesses einge
griffen werden. In vielen Fällen hängt davon direkt die ge
wünschte Verbesserung der Produktqualität, der Produkthalt
barkeit und der energetisch optimalen Nutzung der Prozeßan
lage ab.
Es sind daher schon die verschiedensten Meßmethoden zur Er
mittlung der Feuchte von Stoffen vorgeschlagen worden, die
auf Leitfähigkeitsmessung, kapazitiver Messung, Infrarotmes
sung, der Messung nach dem Neutronenstreuverfahren und der
gleichen beruhen. Diese Verfahren haben jedoch die verschie
densten Nachteile, die ihre Einsatzfähigkeit einschränken.
Bekannt sind auch verschiedene Verfahren, bei denen mit Hilfe
von Mikrowellen die Feuchte eines Stoffes ermittelt werden
soll. Diese basieren entweder als Reflektions-, Durchstrah
lungs- oder Resonanzverfahren auf der großen Dielektrizitäts
konstanten und dem großen Verlustfaktor des Wassers. Reso
nanzverfahren sind auch zur Messung der Feuchte eines Meßgu
tes mit Hilfe von Mikrowellen bekannt. Hierbei wird das als
solches bekannte Meßgut in einem hinsichtlich seiner mecha
nischen und elektrischen Eigenschaften bekannten Applikator
vermessen, der als Resonator ausgebildet ist. Voraussetzung
für die Messung ist die Aufnahme einer Kalibrationskurve,
wozu das Meßgut bei verschiedenen bekannten Feuchtegraden
ausgemessen wird. Der Nachteil dieser bekannten Mikrowellen
verfahren besteht darin, daß sie meist gleichzeitig zur
Feuchtemessung eine Messung der Material-Dichte mit anderen
Meßverfahren wie Wiegen und dergleichen erfordern, um die
störende Beeinflussung der Mikrowellensignale durch Dichte
schwankungen auszuschließen. Bisher bekannte dichteunabhängi
ge Mikrowellen-Feuchtemeßverfahren weisen den großen Nachteil
auf, daß sie nur bei einer begrenzten Anzahl von Materialien
und in einem engen Bereich der Materialfeuchte einsetzbar
sind, Vor- und Nachkalibrationen erfordern oder nicht vor Ort
unter Prozeßbedingungen kalibriert werden können. Daher erge
ben sich bei bisher bekannten Verfahren für den Einsatz zur
Feuchtemessung bei industriellen Prozessen große Beschränkun
gen.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist durch die ZS
"Microwave Power", Vol. 15, Nr. 8, 1989, S. 648-649 bekannt.
Hierbei können Resonanzfrequenz-Änderungen und Breite-Änderungen
nur sehr grob erfaßt werden. Dies hat zur Folge, daß
eine langzeitstabile Kalibration des bekannten Meßgerätes mit
Verknüpfung des Meßsignals A und der Materialfeuchte oder
eine einigermaßen genaue Erfassung der Resonanzfrequenzen und
-breiten nicht möglich ist. Ferner ist dieses bekannte Meßgerät
nur zur Vermessung von Materialproben niedriger Feuchtewerte
geeignet. Nur in diesem Bereich kann auch die Dichte
unabhängig gemessen werden, solange die Dichteschwankungen
nur im Bereich kleiner Dichtewerte bleiben. Ein weiterer
Nachteil besteht darin, daß wegen der Langzeitdrift der
VCO-Charakteristik dieses bekannte Meßgerät häufig nachkalibriert
werden muß.
In der ZS "G-I-T-Fachzeitschrift für das Laboratorium", 18.
Jahrgang, Sept. 1974 wird eine Meßanordnung beschrieben, bei
der durch Veränderung der Steuerspannung des Mikrowellengenerators
die Mikrowellen-Frequenz in einem großen Bereich
variiert, ohne die genaue Beziehung zwischen Steuerspannung
und Generatorfrequenz zu kennen, die von Alter, Sorte, Ausgangslast
und Temperatur des Mikrowellengenerators abhängig
ist. Mit der beschriebenen Meßanordnung kann nur die Resonanzamplitude
des gefüllten Resonators im Vergleich zur
Resonanzamplitude des leeren Resonators gemessen werden. Diese
Dämpfungsmessung ist aber genauso empfindlich auf die
Packungsdichte wie auf die Materialfeuchte. Deshalb kann mit
diesem bekannten Verfahren nur dort die Materialfeuchte gemessen
werden, wo die Packungsdichte konstant bleibt.
Feuchte- und Dichteänderungen können somit mit dieser Methode
nicht auseinandergehalten werden.
In der ZS "Technisches Messen tm 56" (1989/3, Seiten 116 bis
123) ist ein Mikrowellen-Generator beschrieben, der aber nur
in einem sehr kleinen Frequenzbereich automatisch digital
abstimmbar ist. Die Einstellung des Oszillators erfolgt
mechanisch. Eine PLL-Regelung dient lediglich zur Feinabstimmung
über die Steuerung des Betriebsstroms des Oszillators.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der
eingangs genannten Art so zu verbessern, daß mittels einer
hierzu geeigneten Vorrichtung die Materialfeuchte in in
dustriellen Prozessen mit großer Genauigkeit gemessen werden
kann, ohne daß eine meßtechnische Abhängigkeit von der Dichte
des Materials oder der Materialsorte besteht, wobei gleich
zeitig auch unabhängig von dem jeweiligen Feuchtegehalt die
Dichte des Materials durch Auswertung des Mikrowellensignals
meßbar sein soll. Gleichzeitig soll der Einfluß der Material
sorte, deren Feuchte bestimmt werden soll, auf das Mikrowel
lensignal so verkleinert werden, daß bei Schwankungen in der
chemischen Zusammensetzung des Materials keine neue Kalibra
tionskurve aufgenommen werden muß.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe bezüglich des
Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1
und bezüglich der Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merk
male des Anspruchs 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann im Probe-
Entnahme-Verfahren oder direkt im industriellen Prozeß er
folgen, wobei sich das Meßverfahren durch folgende Vorteile
auszeichnet:
- - Die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Messung am un veränderten Produkt ist gesteigert. Die Grenze der Meß genauigkeit wird so allein durch die Qualität der Ver gleichsmessung begründet, die dem Meßverfahren in Form einer Kalibrationskurve zugrunde liegt.
- - Die Aufnahme einer Kalibrationskurve ist direkt im Prozeß, unter den Bedingungen des Einsatzes der Vorrichtung mit einfachster Bedienung möglich. Eine Vor- oder Nachkalibra tion entfällt.
- - Nach Beginn der Messung steht das Meßergebnis in kürzest möglicher Zeit für die Prozeßsteuerung zur Verfügung (Meß zeit in der Regel etwa 1 s).
- - Eine Veränderung der Materialdichte bei gleichbleibender Material-Feuchte - etwa durch Pressung oder Quellung des Materials, oder durch Veränderung der Korngröße, usw. - hat keinen Einfluß auf das Meßsignal. Das Meßverfahren ist dichte-unabhängig, es hängt nur von der Material-Feuchte ab. Damit ist auch ein gesondertes Verfahren zur Dichte messung überflüssig, wie es bei gattungsgemäßen Vorrichtun gen üblich ist, z. B. durch gleichzeitiges Wiegen des Meß gutes, durch Anforderung eines definierten Füll-Volumens oder durch radiometrische Methoden.
- - Eine Veränderung der Sorte des Meßgutes, d. h. Veränderung
des Meßgutes bei gleichbleibender Grundstruktur wie z. B.
Wechsel der Tabak-Sorte, Kaffee-Sorte, Milch-Produkt-Sorte
usw. wirkt sich für die Feuchtemessung nicht aus, da die
Kalibrations-Kurve nur unwesentlich beeinflußt wird. Damit
kann eine einmal aufgenommene Kalibrationskurve auch bei
Veränderung der Material-Sorte beibehalten werden, solange
die Grundstruktur des Materials erhalten bleibt.
Dies ist eine Folge der besonderen Signalverarbeitung und der Mikrowellen-Meßtechnik, wo der im niederfrequenten Bereich störende Einfluß der ionischen Leitfähigkeit von untergeordneter Bedeutung ist. Beim Wechsel des Materials anderer Grundstruktur können die unterschiedlichen Kali brationskurven abgespeichert und im Bedarfsfall abgerufen werden. - - Durch die passende Wahl des Frequenzbereiches des Meßver
fahrens sowie die besondere Anpassung des Applikators als
Meßaufnehmer an das Meßgut wirken sich Inhomogenitäten im
Bereich des erfaßten Materials nicht störend aus.
Die Materialfeuchte wird als Mittelwert gemessen, im Ge gensatz zu Meßverfahren, die nur eine kleine, aktive Meß zone besitzen wie z. B. Infrarot-Verfahren oder Mikrowel len-Verfahren mit Wellenlängen unterhalb der Größe der Kornstrukturen des Meßgutes. - - Besondere Oberflächen-Effekte des Probenmaterials wirken sich bei diesem Meßverfahren nicht aus. Die Mikrowelle durchdringt die Probe in der aktiven Zone und wird durch die Materialfeuchtigkeit des gesamten betroffenen Proben- Querschnitts in auswertbarer Weise beeinflußt. Damit schei den systematische Meßfehler aus, wie sie etwa bei Re flexion-Meßverfahren auftreten. Bei Meßverfahren, wo eine an der Proben-Oberfläche reflektierte Mikro- oder Infrarot- Welle ausgewertet wird, entstehen beträchtliche Meßfehler durch eine Veränderung der Rauhigkeit der Oberfläche, der Farbe, oder durch systematische Abweichungen der Oberflä chenfeuchte von der Materialfeuchte wie z. B. durch ober flächliches Austrocknen oder durch Konzentration von Feuch te im Oberflächen-Bereich bei pasteusen Produkten nach Preß-Vorgängen.
Das Meßverfahren beruht physikalisch auf der Auswertung der
Dipol-Relaxation der Wassermoleküle in einer feuchten Mate
rialprobe. Hierzu wird das Meßgut in das elektromagnetische
Feld des Resonators in einer optimalen, dem zu messenden
Material angepaßten Form gebracht. Die Transmission eines
Resonators hängt bei gegebenen geometrischen Abmessungen
entscheidend von der Frequenz ab: Sie zeigt Resonanz-Verhal
ten. Befindet sich das zu messende Material im elektromagne
tischen Feld des Resonators, wird die Resonanz-Frequenz des
Resonators f(0) gegenüber jener des leeren Resonators f(L0)
verkleinert, während die Halbwerts-Breite b(0) der Resonanz
linie gegenüber jener des leeren Resonators b(L0) vergrößert
wird. Diese beiden Effekte sind um so größer, je größer die
Feuchte des Materials ist. Die Resonanzfrequenz-Verkleinerung
f(L0)-f(0) ist eine direkte Folge der Wellenlängenverkürzung
vor allem durch das Wasser in der Probe, die Linienverbreite
rung b(0)-b(L0) ist eine direkte Folge der Umwandlung von
elektromagnetischer Energie in Wärme durch den Wasseranteil
im Meßgut. Auf beide meßtechnisch erfaßbaren Parameter hat
aber nicht nur die Material-Feuchte, sondern auch die
Packungsdichte des Probenmaterials innerhalb des Feldbereichs
des Resonators Einfluß. Bei richtiger Anpassung des Applika
tors an das Probenmaterial ist es immer möglich, die Einflüs
se von Materialfeuchte und Materialdichte getrennt zu erfas
sen. Damit eignet sich das Verfahren hervorragend, gleich
zeitig zwei Meßgrößen unabhängig voneinander zu messen, näm
lich
- - die Materialfeuchte unabhängig von der Packungsdichte, wenn mittels Referenzmessungen eine Feuchte-Kalibration durch geführt wurde,
- - die Materialdichte unabhängig von der Materialfeuchte, wenn mittels Referenzmessungen eine Dichte-Kalibration durch geführt wurde.
Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel der in den Zeich
nungen dargestellten Vorrichtung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 die Vorrichtung in einer schematischen Darstellung
als Schaltbild,
Fig. 2 das Blockschaltbild der Vorrichtung nach Fig. 1,
Fig. 3 das Blockschaltbild der Auswerteinheit nach Fig. 2,
Fig. 3a bis 3f die Bauelemente der Auswerteinheit nach Fig. 3 in
einer schematischen Darstellung,
Fig. 4 die Vorrichtung nach Fig. 1 in einer schematischen
Vorderansicht,
Fig. 5a bis 5c den Meßschrank mit Resonator der Vorrichtung nach
Fig. 1 in einer schematischen Seitenansicht, Quer
ansicht und Draufsicht,
Fig. 6 ein Flußdiagramm über den zeitlichen Ablauf der
Aufnahme der Resonanzkurve,
Fig. 7a bis 10b Diagramme mit Beispielen für die Feuchtemessung in
einem pasteusen Produkt, in Tabak, in Röstkaffee und
in einer feinkörnigen Pulversubstanz,
Fig. 11a eine schematische Darstellung eines Applikators in
einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 11b und 11c schematische Darstellungen der elektrischen Feld
linien zweier Sonden bei einem Applikator nach
Fig. 11a,
Fig. 12 bis 14 weitere Ausbildungen eines Applikators in
schematischen perspektivischen Ansichten,
Fig. 15 zwei Kalibrationskurven eines Stoffes gemessen
bei zwei Resonanzfrequenzen nach Fig. 11b und 11c,
Fig. 16 eine schematische Darstellung der Auswertung einer
mehrdeutigen Kalibrationskurve wie in Fig. 15.
In Fig. 1 ist der grundsätzliche Aufbau einer Vorrichtung 1
zur Feuchtemessung dargestellt. Diese besteht aus einem Ap
plikator 4 in den eine Probe 11 eingeführt werden kann. In
dem Applikator 4 sind zwei dem Resonator zugeordnete Ankopp
lungssonden 5, 6 ausgebildet. Die Ankopplungssonde 5 ist mit
einem Mikrowellengenerator 3 verbunden. Die Ankopplungssonde
6 steht über einen Mikrowellenverstärker bzw. -Abschwächer 7
mit einer Detektor-Diode 8 in Verbindung, an die ein Ana
log/Digital-Wandler 9 angeschlossen ist. Dieser ist mit einem
Prozessor 2 verbunden, der über einen Digital/Analog-Wandler
10 mit dem steuerbaren Mikrowellen-Verstärker bzw -Abschwä
cher 7 in Verbindung steht. Die gewünschte Frequenz des Mi
krowellengenerators 3 wird vom Prozessor 2 über eine weitere
Verbindung gesteuert. Zwischen dem Mikrowellengenerator 3 und
der Ankopplungssonde 5 sowie der Ankopplungssonde 6 und dem
Mikrowellen-Verstärker bzw. -Abschwächer 7 ist jeweils zur
Entkopplung ein Zirkulator 28 angeordnet. Meßwerte der Tempe
ratur der Probe 11 werden ebenfalls dem Prozessor 2 zuge
führt. Der Mikrowellengenerator 3 wird in einem weiten Fre
quenzbereich betrieben und weist eine PLL-Schaltung auf. Die
Auswerteinheit kann z. B. mit einem 68020-Mikroprozessor mit
Multitasking- und EPROM-fähigem OS-9-Echtzeit-Betriebssystem
ausgerüstet sein. Sie übernimmt sowohl die Kommunikation mit
dem Benutzer, die vom Benutzer dirigierte Datenverwaltung,
die Durchführung der Meßaufgaben als auch die Weiterverarbei
tung der Daten für eine Prozeß-Steuerung.
Mit dem vom Prozessor 2 digital-abstimmbaren quarzstabilen
Mikrowellengenerator 3 wird die Mikrowellen-Leistung variab
ler Frequenz im notwendigen Frequenzbereich erzeugt. Die vom
Prozessor 2 jeweils angeforderte Frequenz wird innerhalb weni
ger Millisekunden eingestellt (VCO im Rahmen einer PLL-Regel
schleife) und dem Applikator 4 zugeführt, der das zu messende
Probenmaterial enthält. Dabei erfaßt der Applikator 4 das
Meßgut entweder in Form einer Meßprobe oder im "on-line"-
Betrieb im Materialstrom.
Das aus dem Applikator 4 kommende Mikrowellen-Signal wird
über einen einstellbaren integrierten Mikrowellen-Verstärker
bzw. -Abschwächer 7 einer Schottky-Barrier-Detektor-Diode 8
zugeführt, deren NF-Signal mittels eines Analog/Digital-Wand
lers 9 vom Prozessor 2 ausgewertet wird.
Der Mikrowellen-Verstärker bzw. -Abschwächer 7 wird vom Pro
zessor 2 so gesteuert, daß die Detektor-Diode 8 im Falle
maximaler Transmittanz des als Resonator ausgebildeten Appli
kators 4, wenn die Mikrowellenfrequenz mit der aktuellen
Resonanzfrequenz des Resonators übereinstimmt, immer die
gleiche Mikrowellenleistung zugeführt bekommt.
Auf diese Weise kann die Resonanzlinie des Applikators 4 mit
einer gegenüber herkömmlichen Resonator-Meßverfahren deutlich
gesteigerten Genauigkeit ausgemessen werden, d. h. Resonanz-
Frequenz f(0) und Linienbreite b(0) bestimmt werden. Durch
die Prozessor-Steuerung des Mikrowellen-Generators 3 kann mit
Hilfe einer PLL-Schaltung die gewünschte Mikrowellen-Frequenz
in eng vorgegebenen Frequenz-Schritten exakt eingestellt
werden. Durch die Prozessor-Steuerung des vorgeschalteten Mi
krowellen-Verstärkers bzw. -Abschwächers 7 kann die Detektor-
Diode 8 immer im gleichen Arbeitspunkt maximaler Signal
leistung betrieben werden, wodurch der störende Einfluß von
Nichtlinearitäten der Diode umgangen wird. Das Diodensignal
einer Mikrowellenfrequenz kann weit außerhalb der Resonanz
des Applikators 4 erfaßt und als Nullabgleich sowohl der
gesamten Meß-Linie wie für die Auswertung der Resonanzlinie
herangezogen werden.
Die so im normalen Betrieb für die Bestimmung von Resonanz
frequenz f(0) und Resonanzlinienbreite b(0) erreichte Meß
genauigkeit hat den relativen Meßfehler unter den Wert von
Δf/f(0) < 3 × 10-7
gedrückt.
Fig. 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild der Vorrich
tung 1 und verdeutlicht, daß diese als Hauptelemente den
Applikator 4 für die zu messende Probe 11, eine Auswertein
heit 26 und einen Drucker 27 zur Ausgabe der Meßwerte auf
weist. Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild der Auswerteinheit 26
mit einer schematischen Darstellung von deren Bauelementen.
An einem Bus 29 ist eine Prozessorkarte 30, eine Terminalkar
te 31, der Mikrowellen-Verstärker bzw. -Abschwächer 7, der
Mikrowellengenerator 3, eine Ein-Ausgabekarte 32 und ein
Analogausgang 33 angeschlossen. Die Prozessorkarte 30 ist mit
dem Rechner 2 verbunden. An die Terminalkarte 31 ist ein
Display 34 zur Dialogführung und Beobachtung der Messung,
eine Tastatur 35 sowie der Drucker 27 angeschlossen. Die
Mikrowellen-Detektor-Karte 56 enthält den Mikrowellen-Ver
stärker bzw. -Abschwächer 7, die Detektor-Diode 8, den Ana
log/Digital-Wandler 9 und den Digital/Analog-Wandler 10. Die
Mikrowellengenerator-Karte 57 weist den Mikrowellengenerator
3 auf, dessen Ausgangssignal zum Applikator 4 geleitet wird.
Die Ein-Ausgabekarte 32 dient zur Steuerung des Applikators
4. An den Analogausgang 33 kann eine Fernanzeige für die
Prozeßregelung angeschlossen werden. Eine Digital-Schnitt
stelle erlaubt die Verbindung des Meßgeräts mit einem Pro
zeß-Leitrechner.
In den Fig. 3a bis 3f sind die in der Prozessorkarte 30,
der Terminalkarte 31, dem Applikator 4, dem Mikrowellen-Ver
stärker bzw. -Abschwächer 7, dem Mikrowellengenerator 3, der
Ein-Ausgangskarte 32 und dem Analogausgang 33 enthaltenen
wesentlichen Bauelemente angegeben.
Fig. 4 zeigt die Vorrichtung 1 in einer schematischen Seiten
ansicht. Die Auswerteinheit 26 mit Display 34 und Tastatur 35
weist einen Netzanschluß 37 und eine Schnittstelle 38 auf, an
die z. B. der Drucker 27 angeschlossen werden kann. Mittels
Meßleitungen 39, 40 und einer Steuerleitung 41 ist die Aus
werteinheit 26 mit den Ankopplungssonden 5, 6 und einer Füll
standssonde 42 verbunden, die im Resonator 22 bzw. in Mate
rialflußrichtung vor diesem im Probenrohr 43 angeordnet sind.
Der Resonator 22 und das Probenrohr 43 befinden sich in einem
Meßschrank 36. In Materialflußrichtung vor und hinter dem
Resonator 22 ist jeweils ein Absperrorgan 44, 45 vorgesehen.
Die Absperrorgane 44, 45 werden über Magnetventile 46, die an
eine Druckluftleitung 47 angeschlossen sind, mit Druckluft
beaufschlagt. Die Magnetventile 46 werden durch Relais 48
gesteuert. Die Relais 48 sind mit der Steuerleitung 41 ver
bunden und an eine Spannungsversorgung 50 angeschlossen.
Ferner ist in dem Probenrohr 43 ein Spühlluftstutzen 49 vorge
sehen, der ebenfalls mit den Magnetventilen 46 verbunden ist.
Fig. 5a bis 5c zeigen den Meßschrank 36 in verschiedenen
Ansichten. Das Relais 48 ist über Klemmen 51 mit der Span
nungsversorgung 50 verbunden. Der Materialzulauf 53 ist am
oberen Abschnitt des Meßschrankgehäuses 52 angeordnet und
dient zum Einfüllen von Meßgut. Am Boden des Meßschrankgehäu
ses 52 ist ein Druckluftanschluß 54 für die Druckluftleitung
47 vorgesehen. Über ein zweites Absperrorgan 45 wird das
Produkt in den Produkt-Hauptstrom zurückgeführt.
Fig. 6 zeigt in einem Fluß-Diagramm den zeitlichen Ablauf der
verschiedenen Rechner-Schritte bei der Steuerung des Prozes
ses der Aufnahme der Resonanzkurve. Sie verlaufen
- - von der Suche des aktuellen Resonanz-Maximums
- - über den Nullabgleich weit außerhalb der Resonanz,
- - zur Festlegung der notwendigen Mikrowellenverstärkung bzw. -Abschwächung, um den Maximalwert der Resonanzkurve auf einen vorgewählten Wert zu bekommen,
- - weiter zur Aufnahme der exakten Meßpunkte der Resonanz kurve,
- - bis hin zur rechnerischen Polynom-Interpolation der Reso nanz-Linien-Meßwerte, zur genauen Bestimmung von Resonanz frequenz f(0) und Halbwertsbreite b(0).
Wie bereits erwähnt, sind beide Meßgrößen f(0) und b(0)
sowohl von der Materialfeuchtigkeit wie von der Materialdich
te abhängig. Der Einfluß beider Größen läßt sich jedoch tren
nen. Unter der Voraussetzung, daß für die Meßaufgabe der
richtig angepaßte Resonator-Typ verwendet wird, können für
beliebige dielektrische Stoffe bis in den Bereich sehr hoher
Dielektrizitätskonstanten und somit auch hoher Materialfeuch
te der Einfluß von Materialfeuchtigkeit und Material-Dichte
getrennt werden.
Wenn ρ die Dichte des Materials bezeichnet, das sich im Re
sonator-Feld befindet und ψr die relative Materialfeuchtig
keit darstellt, dann zeigt die Messung, daß die Breitenände
rung b(0)-b(L) und die Frequenzänderung f(0)-f(L) der Reso
nanzlinie in gegenüber den experimentell zu bestimmenden
Bezugsgrößen b(L) und f(L) in der gleichen Weise von der Dichte des
Materials abhängen, unabhängig von der Material-Feuchtigkeit.
Diese gemeinsame Dichtefunktion X(ρ) nimmt mit zunehmender
Dichte monoton und im allgemeinen als nichtlineare Funktion
von ρ zu.
Wesentlich ist, daß es auf experimentellem Wege möglich ist,
die Bezugsgrößen b(L) und f(L) zu bestimmen, so daß eine
einzige Funktion X(ρ) angegeben werden kann, die die Dichte
abhängigkeit von b(0)-b(L) und f(0)-f(L) in gleicher Weise
beschreibt. Damit gilt folgender Produktansatz für die Be
ziehung zwischen den unmittelbaren Meßgrößen b(0) und f(0)
und den zu messenden Stoffgrößen Feuchte ψr und Dichte ρ,
wobei die empirischen Bezugsgrößen für die Linienbreite b(L)
und die Resonanzfrequenz f(L) charakteristisch für einen
Resonator-Typ sowie die zu vermessende Materialsorte sind.
b(0)-b(L) = yb(ψr) · X(ρ) (1)
f(L)-f(0) = yf(ψr) · X(ρ) (2)
Eliminiert man durch Division den dichteabhängigen Faktor
X(ρ) des Produktansatzes erhält man eine Größe Φ, die voll
kommen unabhängig ist von der Dichte ρ des Materials und nur
von der Feuchtigkeit ψr abhängt:
Diese Größe Φ, die aus den primären Meßgrößen b(0), f(0)
und den konstanten Bezugsgrößen b(L), f(L) gewonnen wird, ist
das eigentliche Meß-Signal der Vorrichtung 1 zur Feuchte
messung. Sie ist nur von der Materialfeuchte abhängig.
Wenn sie in der Vorrichtung 1 als Kalibrationskurve abge
speichert vorliegt, kann nach der Bestimmung von Φ die Ma
terialfeuchte ψr angezeigt werden.
Trägt man die gemessene Linienbreite b(0) der Resonanz-Linie
als Funktion der Resonanzfrequenz f(0) bei konstanter Mate
rialfeuchte und variabler Dichte auf, zeigt sich der Einfluß
der Dichteschwankung wie folgt. Die Meßwerte von Linienbreite
b(0) und Resonanzfrequenz f(0) verändern sich so, daß die
Meßpunkte b(0) über f(0) auf einer Geraden liegen, die durch
den Punkt mit den empirischen Parametern f(L), b(L) verläuft
und deren Steigung alleine von der Feuchtigkeit des Materials
abhängt. Nach Gleichung (3) gilt die Geraden-Gleichung
Somit wird auch die Bedeutung der empirischen Parameter b(L)
und f(L) deutlich. Sie stellen in der Resonanzfrequenz-Brei
te-Auftragung den gemeinsamen Schnittpunkt aller durch Dich
te-Variation entstandenen Geraden dar, die sich voneinander
in der Materialfeuchtigkeit, d. h. in der Geraden-Steigung
unterscheiden, wie es z. B. in Fig. 7a dargestellt ist.
Diese beiden empirisch zu bestimmenden Parameter b(L) und
f(L) sind für die Verwendung eines bestimmten, für das zu
bearbeitende Prozeßfeuchte-Meßproblem optimal angepaßten
Resonatortyp durch eine charakteristische Beziehung definiert
und werden für den Applikator 4 in der Software des Rechners
2 definiert.
Diese Parameter hängen mit den Kenngrößen der Mikrowellen-
Resonanz-Linie des Resonators ohne Meßgut, der Leer-Linien
breite b(L0) und der Leer-Resonanzfrequenz f(L0), über fol
gende Gleichungen zusammen:
b(L) = b(L0)+B (5)
f(L) = f(L0)+F (6)
Die beiden Korrekturgrößen B und F für die Abweichung des
Dichte-Geraden-Schnittpunktes bei variabler Materialfeuchte
von dem Leer-Resonator-Punkt hängen sowohl vom Resonator-Typ
wie von der Anpassung des Resonators an das zu messende Mate
rial ab.
Insbesondere ändern sich B und F nicht, wenn sich die Leer-
Resonator-Daten b(L0) und f(L0) infolge von Veränderungen am
Applikator 4 im Verlaufe der Messungen vor Ort verändern
sollten, zum Beispiel durch Verschmutzungen des Applikators
oder durch thermische Ausdehnung bei Veränderung der Ein
satz-Temperatur.
Damit ist es nach den Gleichungen (5) und (6) möglich, den
Einfluß von Verschmutzungen des Applikators 4 oder anderer
Veränderungen dadurch zu kompensieren, daß einfach die Re
sonanz-Daten des leeren Resonators b(L0) und f(L0) im nor
malen Dauerbetrieb der Vorrichtung 1 gemessen werden. Mit den
Gleichungen (5) und (6) werden die neuen Bezugsgrößen b(L)
und f(L) berechnet und nach Gleichung (3) das Meßsignal aus
den direkten Meßgrößen b(0), f(0) bestimmt. Trotz Verschmut
zung kann dann mit der gleichen hohen Meßgenauigkeit der
Vorrichtung unter Verwendung der alten Kalibrationskurve
weitergearbeitet werden.
Entsprechend kann bei Reinigung des Applikators 4 verfahren
werden. Durch einfache Messung der Leer-Resonator-Daten ist
die Vorrichtung 1 zur Feuchtemessung sofort wieder einsetz
bar, ohne daß eine Neu-Kalibration erforderlich ist.
In Fig. 7a und 7b ist am Beispiel eines zur Feuchte-Messung
in Marzipan angepaßten Resonators das durch Gleichung (4)
beschriebene Verhalten bei Variation der Packungsdichte von
Marzipan dargestellt. Deutlich zu erkennen ist, daß die Li
nienbreite und Resonanz-Frequenz sich längs einer Geraden
bewegen, deren Steigung allein von der Materialfeuchtigkeit
bestimmt ist. Der durch die Korrekturgrößen B, F gekenn
zeichnete Schnittpunkt weicht deutlich vom Leer-Resonator
punkt ab. Daraus ergibt sich die in Fig. 7a und 7b für die
Feuchte-Messung in Marzipan typische Kalibrationskurve, wo
die nach Gleichung (3) definierte Meßgröße Φ über der Re
ferenzfeuchtigkeit (Trockenschrank-Methode) aufgetragen ist.
Fig. 8a und 8b zeigen die entsprechenden Meßergebnisse an
Tabak im Bereich zwischen 11 und 25 Prozent Materialfeuchte,
wobei auch hier die Vergleichsmessungen zur Kalibration der
Anlage mit dem Trockenschrank durchgeführt wurden.
Bei dieser Anwendung tritt die Besonderheit zutage, daß die
Korrekturgrößen B, F in Gleichung (4) und (5) nahezu Null
werden, d. h., die Leerresonatordaten selber in Gleichung (3)
die Bezugsgrößen bilden. Weiter sieht man, daß sich die Ka
librationskurve der Meßgröße Φ bei einem Wechsel der Tabak-
Sorten mit unterschiedlichem Anbaugebiet und unterschied
licher Vorbehandlung nur geringfügig ändert.
Noch deutlicher wird diese Sortenunabhängigkeit des Meß
signals bei dem in Fig. 9a und 9b dargestellten Kalibrations
kurven-Vergleich von Röst-Kaffeebohnen unterschiedlichster
Röstverfahren: Unabhängig von Anbaugebiet und Röstverfahren
gilt zur Feuchtemessung die gleiche Kalibrationskurve.
Ursächlich für diese Sortenunabhängigkeit des Meßverfahrens
sind die Herabsetzung des Einflusses von Ionen-Leitfähig
keitseffekten durch die Verwendung der Mikrowellen-Meßtechnik
sowie die besondere Art der nach Gleichung (3) durchgeführten
Signalverarbeitung. Noch vorhandene Sorteneinflüsse wirken
sich auf Resonanzfrequenz-Verschiebung und Linienverbreite
rung ähnlich wie die Materialdichte-Änderung in gleicher
Weise aus und werden bei der Division in Gleichung (3) zur
Erlangung des Meßsignals herausgekürzt.
Fig. 10a und 10b zeigt anhand von Feuchtemessungen in Automa
ten-Kakao-Pulver, daß sich sogar bei deutlicher Variation von
Zusatzstoffen im Meßgut, wie hier von Zucker, die Kalibra
tionskurve des Meßsignals nicht ändert, d. h. nach wie vor
mit einer einzigen Kalibrationskurve gearbeitet werden kann.
Die Aufnahme einer Kalibrationskurve kann in einfacher Weise
vom Betreiber der Vorrichtung 1 unter Einsatzbedingungen
aufgenommen werden, sobald er die Möglichkeit hat, durch eine
Referenzmessung die Referenzfeuchte für die Kalibration zu
bestimmen (z. B. durch Anwendung der Trockenschrank-Methode) .
Eine gesonderte Zweitmessung mit Proben definierter Form und
Zusammensetzung entfällt ebenso wie der Zwang zur Ausmessung
der Mikrowelleneigenschaften des ausgetrockneten Proben-Ma
terials, wie es bei anderen bekannten Mikrowellen-Verfahren
notwendig ist.
Damit die in den Gleichungen (1) bis (6) beschriebenen Ge
setzmäßigkeiten gelten, muß der Applikator an die jeweilige
Feuchtemeßaufgabe angepaßt werden. Hierbei ist folgendes zu
beachten:
- - Die Ankopplung der zu messende Probe 11 an den Resonator des Applikators 4 hat so zu erfolgen, daß sein Resonanz verhalten nur wenig gestört wird.
- - Entelektrisierungseffekte, und damit eine mehr oder weniger vollständige Verringerung der Feuchte-Empfindlichkeit der in Gleichung (3) definierten Meßgröße Φ lassen sich ver meiden, indem dafür gesorgt wird, daß das elektrische Feld des Resonators beim Übergang in das Material der Probe 11 parallel zur Oberfläche verläuft. Das elektrische Feld darf nicht senkrecht zur Meßmaterial-Oberfläche in die Probe 11 eintreten.
Diese Bedingungen lassen sich durch die besondere Ausbildung
des Resonatortyps zur Anpassung an die Meßaufgabe erfüllen.
Eine für viele Einsatzfälle zur Materialfeuchtemessung be
friedigende Lösung wird dann erreicht, wenn ein kreiszylin
drischer Resonatortyp so konstruiert wird, daß in dem in
Frage kommenden Frequenzbereich die H311- und H211-Resonanzen
angewandt werden können. Dazu muß der Resonator in dem Mit
tenbereich, in dem die elektrische Feldstärke minimal wird
zur Probeneinführung mit einer Öffnung und einer Innenver
kleidung versehen werden. Ein solcher Applikator 4 ist in
Fig. 11a dargestellt. Koaxial zur Längsachse 19 ist ein Rohr
20 durch den Resonator geführt. Zwischen dem Rohr 20 aus
dielektrischem Material und dem Resonatormantel 21 sind ein
ander gegenüberliegend die Ankopplungssonden 5, 6 angeordnet.
Mit einem derartigen Applikator 4 können insbesondere Schütt
güter im Prozeß "on-line" oder mit Probenentnahme vermessen
werden. Pasteuse Produkte oder Materialien, die ein Gefäß
benötigen, können z. B. in einem becherförmigen Probenhalter
in den Resonator eingebracht werden. Eine besondere Anforde
rung an die Probenform muß nicht gestellt werden. Der maximal
mögliche Durchmesser des Rohres 20 ist durch die Forderung
begrenzt, daß es in Folge der Wellenlängenverkürzung im Pro
benmaterial nicht zu elektromagnetischen Abstrahlungen kommt.
Wie in Fig. 11b und 11c zeigen, können im meßbaren Frequenz
bereich zwei Resonanzlinien gleichzeitig am selben Produkt
ausgemessen werden, die sich um etwa 25 Prozent in ihrer
Resonanzfrequenz unterscheiden. Es sind die H311-Resonanz mit
hexagonaler und die H211-Resonanz mit quadratischer Feldsym
metrie, die beide die eingangs erwähnten Bedingungen dadurch
erfüllen, daß die zu messende Probe 11 im Randbereich des
elektrischen Feldes des Resonators, also in seiner Mitte,
angeordnet wird.
Die in den Fig. 8a und 8b an Tabak und in den Fig. 9a und 9b
an Röstkaffee beispielhaft dargestellten Meßergebnisse wurden
mit einem Applikator gemäß Fig. 11a gewonnen.
Auch eine besondere Konstruktion des kreiszylindrischen Re
sonators, die im zugänglichen Frequenzbereich die E010-Reso
nanz aufweist, also die Grund-Resonanz des kreiszylindrischen
Resonators, kann für die Feuchtemeßtechnik in besonderen
Anwendungsfällen sinnvoll genutzt werden.
Insbesondere bei Materialien mit kleiner Dielektrizitätskon
stante, die eine langgestreckte Form haben (z. B. am Zigaret
tenstrang, Wollfäden, usw.) oder die sich in eine langge
streckte Form bringen lassen (z. B. feinkörnige Schüttgüter)
kann ausgenutzt werden, daß das elektrische Feld parallel zur
Probenoberfläche verläuft. Für diese Anwendungen ist der in
Fig. 12 dargestellte zylinderförmige Applikator 4 besonders
gut geeignet. Das Proben-Rohr besteht aus dielektrischem
Material. Die Probe 11 wird durch eine Öffnung an der einen
Stirnfläche 12 zugeführt und tritt aus der anderen Stirnflä
che 13 aus. Hier wird die E010-Resonanz eines kreiszylindri
schen Resonators zur Feuchtemessung genutzt.
Die in Fig. 10a und 10b für Kakao-Pulver dargestellten Meß
punkte wurden mit einem Applikator 4 gemäß Fig. 12 gewonnen.
Bei Meßaufgaben, wo die Dielektrizitätskonstante des Mate
rials oder die Materialfeuchtigkeit größer sind (z. B. Feuch
temessung in Marzipan, pasteusen Produkten usw.), kann dieser
Resonatortyp verwendet werden, wenn die Probe 11 dünn auf
einem dielektrischen Substrat ausgewalzt oder aufgestrichen
wird. Dann wird das elektrische Feld beim Eintritt in die
Oberfläche der Probe kaum geschwächt. Die in Fig. 7a und 7b
für Marzipan dargestellten Meßpunkte wurden auf diese Weise
gewonnen.
Für die Feuchtemessung in Folien, Papier- oder Textilbahnen,
usw. eignet sich eine kreiszylindrische oder rechteckige
Ausbildung eines Applikators 4, der in der E010-Resonanz
angeregt werden kann. Dazu wird wie in Fig. 13 der Resonator
in Richtung der Wandströme aufgeschnitten, mit einer dielek
trischen Innenverkleidung versehen und mechanisch so be
festigt, daß die Materialbahn 14 in Richtung des elektrischen
Feldes durch den Schlitz 17 des Resonators 4 geführt wird.
Mikrowellen-Detektor und -Generator können entweder mit den
unterschiedlichen Resonatorhälften wie abgebildet verbunden
sein, oder mit ein und derselben Resonatorhälfte.
Ein weiterer, für zahlreiche Anwendungsfälle zur Feuchtemes
sung vor allem in pasteusen Produkten geeigneter Applikator 4
ist in Fig. 14 dargestellt. Auch hier kann die der Gleichung
(3) zugrundeliegende Gesetzmäßigkeit bei Einhaltung defi
nierter Bedingungen angewendet werden. Der zylindrische ge
schlossene Resonator 22 wird wieder im E010-Modus betrieben.
Durch die untere Stirnfläche 23 sind die Ankopplungssonden 5,
6 geführt. Über eine durch die obere Stirnfläche 24 geführte
Koaxialleitung 18 der Länge einer viertel Wellenlänge wird
ein kleiner Anteil der Mikrowelle im Resonator 22 ausgekop
pelt. Am freien Endabschnitt 25 der Koaxialleitung 18 dringt
das Streufeld der elektromagnetischen Welle in die Probe 11
ein, die sich auf einem Probenträger 55 befindet. Die Bedingung
des parallelen Eindringens der elektrischen Feldstärke in die
Probenoberfläche kann durch die Wahl des geeigneten Abstands
der Probe von der Öffnung des Koaxial-Resonators erfüllt
werden. Zur Messung von Φ wird die Wechselwirkung des feuch
ten Materials der Probe 11 mit dem elektrischen Streufeld am
offenen Abschluß der Koaxialleitung 18 ausgenutzt.
Der Vorteil dieser Meßmethode ist trotz des relativen kleinen
vom elektrischen Feld erfaßten Proben-Bereiches, daß das
Probenmaterial nicht durch den Resonator hindurchgeführt
werden muß. Vielmehr kann das Material über die aktive Zone
des Applikators 4 hinweggeführt werden, wenn der Applikator 4
an Materialführungen, Auflegeplatten, Rohrleitungen, usw.
angeflanscht oder eingeschraubt wird.
Die beschriebenen Arten von Applikatoren 4 zeigen, daß das
auf Gleichung (3) beruhende dichte- und sortenunabhängige
Mikrowellenmeßverfahren für die Materialfeuchte durch die
passende Wahl des Applikators 4 auf eine Vielzahl der in der
Praxis vorkommenden Aufgabenstellungen angewendet werden
kann.
Die meßtechnische Auswertung des nach Gleichung (3) erhaltene
Meßsignal Φ bereitet in einigen Anwendungsfällen das Problem,
daß mit zunehmender Materialfeuchte die Größe Φ nicht wie in
den Fig. 7a bis 10b kontinuierlich ansteigt, sondern nach
Überschreiten eines Maximums wieder abnimmt. Wenn dieses Maxi
mum aber in einen für den Anwender interessanten Feuchtebe
reich fällt, würde es bei der Auswertung von Φ zu möglichen
Zweideutigkeiten in der Zuordnung von Φ und der Material
feuchte ψr kommen.
In Fig. 15 ist dies am Beispiel von Parmesan-Käse demon
striert, wo bei einer Feuchte von etwa 17% die Kalibrations
kurve ihr Maximum hat, der interessante Feuchtebereich für
den Produktionsprozeß aber zwischen 8 und 25% liegt.
Durch die Möglichkeit, gleichzeitig bei zwei und mehr Fre
quenzen das Resonanzverhalten messen zu können, kann die
Vorrichtung 1 unter voller Beibehaltung aller Vorzüge des
Problems der Zweideutigkeit überwinden, da die beiden Kali
brationskurven bei den zwei Frequenzen sich voneinander un
terscheiden (Fig. 15).
Eine Möglichkeit zur Überwindung der Zweideutigkeit ist in
Fig. 16 dargestellt. Danach werden die zwei Meßsignale Φ1, Φ2
bei beiden Frequenzen mit der jeweils gültigen Kalibrations
kurve links und rechts des Maximums in einen Feuchtewert
umgewandelt. Die korrekte Feuchte ergibt sich dann als Mit
telwert aus den zwei Feuchtewerten, deren Differenzbetrag
minimal ist.
Claims (20)
1. Verfahren zur Messung der Materialfeuchte eines Meßgutes
mit Hilfe von Mikrowellen, bei dem durch einen Prozessor
gesteuert in einem Mikrowellen-Generator eine elektroma
gnetische Strahlung variabler Frequenz erzeugt und einem
als Resonator ausgebildeten Probenapplikator zugeführt
wird, bei dem das aus dem Applikator austretende Mikro
wellensignal einer Detektor-Diode zugeführt wird, aus
deren Signalen über einen Analog/Digital-Wandler vom
Rechner als primäre Meßgrößen b(0) und f(0) ermittelt
werden, wobei b(0) die Halbwertsbreite bei der Resonanz
frequenz f(0) des mit einer Meßprobe in Wirkverbindung
stehenden Applikators ist, und wobei eine Materialprobe
mit einem Resonator so in Verbindung gebracht wird, daß
das elektrische Feld des Resonators beim Übergang in das
Material der Probe allgemein parallel zur Oberfläche
verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Prozessor
nach dem Einbringen einer Probe in den Wirkbereich
des Applikators durch Variation der Frequenz des Mikrowellengenerators
das auf die Probe bezogene aktuelle
Resonanz-Maximum ermittelt wird, daß dann der Nullabgleich
des Sondensignals außerhalb der Resonanz vorgenommen
wird, dann der Mikrowellen-Verstärker bzw. -Abschwächer
von dem Prozessor so eingestellt wird, daß der
Maximalwert der Resonanzkurve einem vorgewählten Wert
entspricht und somit Diodennichtlinearitäten sich nicht
störend auf die Messung auswirken, dann die exakten Meßpunkte
der Resonanzkurve aufgenommen werden und dann aus
einer Polynom-Interpolation der Resonanz-Linien-Meßwerte
die Resonanzfrequenz f(0) und Halbwertsbreite b(0) ermittelt
werden, daß dann aus den primären Meßgrößen b(0)
und f(0) ein Meßsignal Φ gebildet und mit diesem unter
Berücksichtigung einer im Rechner abgespeicherten Kalibrationskurve
für die zu messende Materialsorte die Materialfeuchte
ermittelt wird, wobei für das von der Materialfeuchte
ψr abhängige Meßsignal Φ(ψr) die Beziehung
gilt
mit b(L) und f(L) als konstante material- und applika
torabhängige Bezugsgrößen, die nach den Beziehungenb(L) = b(L0)+Bf(L) = f(L0)+Fermittelt werden, bei denen b(L0) und f(L0) die Halbwert
breite bzw. Resonanzfrequenz des Applikators ohne Meßgut
und B und F applikatortypische Konstanten sind, die ab
hängig von dem zu vermessenden Material so bestimmt wer
den, daß das Meß-Signal Φ(ψr) von der Packungsdichte des
Materials unabhängig und nur von der Materialfeuchte
abhängig ist und daß durch Messung von b(L0) und f(L0)
und Neuberechnung von Φ störende Einflüsse von Resonator-
Verschmutzungen und Resonator-Temperaturänderungen kom
pensiert werden, wobei zur Bestimmung der Konstanten B
und F in einer Voruntersuchung Proben des zu vermessenden
Materials mit unterschiedlicher Feuchtigkeit und mit
unterschiedlichen Mengen in den Feldbereich des Mikrowellengenerators
geführt und die zwei primären Meßgrößen
f(0) und b(0) ermittelt und in ein Koordinatensystem
Resonatorfrequenz/Resonatorlinienbreite eingetragen werden,
wobei sich die Meßpunkte der Resonanzfrequenz/Resonanzbreite
bei Variation der Menge des Probenmaterials
im Mikrowellen-Meßfeld auf einer Geraden bewegen, deren
Steigung ein Maß für die Meßfeuchte ist und aus den Koordinaten
f(L), b(L) des Schnittpunktes der Geraden unterschiedlicher
Steigung die applikationstypischen Konstanten
B, F nach den BeziehungenB = b(L) - b(L0)F = f(L0) - f(L)bestimmt und abgespeichert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Meßprobe in den Mittenbereich eines kreiszylindrischen
oder Rechteck-Resonator parallel zur Achse des
Applikators eingeführt wird, daß in dem Applikator im
Falle des kreiszylindrischen Resonators die E₀₁₀-, oder
die H₂₁₁- oder die H₃₁₁-Resonanz, im Fall des Rechteck-
Resonators die H₀₁₁-Resonanz angeregt wird, so daß das
elektrische Feld parallel zur Probenoberfläche in die
Probe eintritt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Probe auf einem dielektrischen Substrat dünn ausgewalzt
oder aufgestrichen oder in Dünnschichtform vorliegend
in den Applikator entlang der E-Feld-parallelen
Längsachse eines kreiszylindrischen- oder Rechteck-Resonators
eingebracht und die Grundresonanz angeregt wird,
so daß auch Proben beliebig hoher Feuchte vermessen werden
können.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
eine dünne großflächige Probe zwischen den zwei Hälften
eines entlang der E-Feld-parallelen Längsachse aufgeschnittenen
kreiszylindrischen- oder Rechteck-Resonators
geführt und die Grundresonanz angeregt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
aus dem geschlossenen kreiszylindrischen- oder Rechteck-
Resonators, in dem die Grundresonanz angeregt wird, über
eine Koaxialleitung der Länge einer Viertel-Wellenlänge
ein kleiner Teil der Mikrowellenleitung im Resonator
ausgekoppelt und die Probe so durch das Streufeld der
elektromagnetischen Welle am offenen Ende der Koaxialleitung
geführt wird, daß die elektrischen Feldlinien
parallel zur Probenoberfläche in die Probe eintreten.
6. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß bei einer Zweideutigkeit zwischen dem Meßwert Φ und
der Materialfeuchte ψr (Maximum oder Minimum der Kalibrationskurve)
die Meßsignale Φ₁ und Φ₂ in zwei Resonanzmoden
unterschiedlicher Resonanzfrequenz erfaßt werden
und die Materialfeuchte eindeutig so bestimmt wird, daß
die aus den Meßwerten Φ₁, Φ₂ errechnete Feuchte einen
minimalen Differenzbetrag aufweist.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem
der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Mikrowellenmeßanordnung
mit einem Resonator, einem Mikrowellengenerator, dessen
Frequenz von einem Computer digital abstimmbar ist, und
einem Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz
des Mikrowellengenerators (3) mittels einer
quarzstabilisierten PLL-Regelschleife variabel einstellbar
ist und daß der Mikrowellengenerator (3) mit
einer Ankopplungssonde (5) verbunden ist, die in einem
Applikator (4) zur Messung der Materialfeuchte einer
Probe (11) angeordnet ist, der eine weitere Ankopplungssonde
(6) aufweist, die über einen Mikrowellen-Verstärker
bzw. -Abschwächer (7) mit einer Detektor-Diode (8) verbunden
ist, deren Signalausgang mit dem Prozessor (2)
verbunden ist, wobei der Prozessor (2) und der Mikrowellen-
Verstärker bzw. -Abschwächer miteinander verbunden
sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Detektor-Sonde (8) mit dem Prozessor (2) über einen
Analog/Digital-Wandler (9) verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Prozessor (2) mit einer Meßproben-Temperaturmeßeinrichtung
verbunden ist, die dem Applikator (4)
zugeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß
der Applikator (4) als kreiszylindrischer- oder Rechteck-
Resonator mit mittiger zur Längsachse (19) koaxialer
Durchbrechung zur Einführung einer Probe (11) ausgebildet
ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die Durchbrechung durch ein durch den Resonator geführtes
Rohr (20) gebildet ist, das aus dielektrischem Material
besteht.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
der Resonator (4) aus zwei Resonatorhälften (15, 16)
besteht, die als Halbkreiszylinder oder Quader ausgebildet
und unter Ausbildung eines Schlitzes (17) im Abstand
voneinander angeordnet sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die einander zugewandten Innenflächen der Resonatorhälften
(15, 16) aus einer dielektrischen Verkleidung bestehen.
14. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Applikator (4) aus einem geschlossenen zylindrischen
oder Rechteck-Resonator (22) besteht, durch dessen eine
Stirnfläche (23) die Ankopplungssonden (5, 6) und durch
dessen andere Stirnfläche (24) mittig eine Koaxialleitung
(18) geführt ist, deren freier Endabschnitt (25) im Bereich
der Führung für die Probe (11) angeordnet ist.
15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 14, gekennzeichnet durch
einen Meßschrank (36) mit als Resonator (22) ausgebildetem
Applikator (4) und einer Auswerteinheit (26), zwischen
denen zwei Meßleitungen (39, 40) und eine Steuerleitung
(41) angeordnet ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerteinheit (26) ein Display (34), eine
Tastatur (35), eine Schnittstelle (38) zum Anschluß von
Peripheriegeräten, einen Netzanschluß (37) und einen Bus
(29) für eine Prozessorkarte (30), eine Terminalkarte
(31), eine Mikrowellen-Detektor-Karte (56), eine Mikro
wellengenerator-Karte (57), eine Ein-Ausgangskarte (32)
und einen Analogausgang (33) aufweist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerleitung (41) mit einer in einem Probenrohr
(43) angeordneten Füllstandssonde (42) und einem
Relais (48) für Magnetventile (46) von zwei Absperrorganen
(44, 45) verbunden ist, die in dem Probenrohr (43)
beidseitig des Resonators (22) angeordnet sind.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
die Absperrorgane (44, 45) über die Magnetventile (46)
mit einer Druckluftleitung (47) verbunden sind.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet,
daß das Probenrohr (43) in dem Meßschrank (36)
vertikal angeordnet ist und einen an der Meßschrankoberseite
angeordneten Materialzulauf (53) aufweist.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Probenrohr (43) ein Spülluftstutzen (49)
angeordnet ist, der mittels einer Druckluftleitung mit
dem Magnetventil (46) verbunden ist.
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